(57)【要約】  二相流体回路を有する熱力学的システムは、熱を熱吸収ゾーンから熱散逸ゾーンへ移動させるために内部流体移動を自己編成する。熱力学的システムは、互いに相互接続される１つまたは複数の熱源に隣接して配置された複数の熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードと、複数の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ノードとを、二相流体を取り囲む毛管システムを介して含んでもよい。ＴＥが各ＴＥＡノードで二相流体に吸収されるとき、例えば圧力および／または体積の増加などの局所条件変化が、各ＴＥＡノードから離れる吸収されたＴＥの対流を誘発する。ＴＥが各ＴＥＤノードで二相流体から散逸されるとき、例えば圧力および／または体積の低下などの局所条件変化が、各ＴＥＤノードに向かう追加的な吸収されたＴＥの対流をさらに誘発する。【選択図】図１
2019509455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学的システムであって、
第１の複数の熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードであって、前記第１の複数のＴＥＡノードの個々のＴＥＡノードが二相流体を取り囲み、前記第１の複数のＴＥＡノードが、第１の熱エネルギー（ＴＥ）源に隣接して配置された第１のＴＥＡゾーン内に含まれる、第１の複数の熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードと、
第２の複数のＴＥＡノードであって、前記第２の複数のＴＥＡノードの個々のＴＥＡノードが前記二相流体を取り囲み、前記第２の複数のＴＥＡノードが、第２のＴＥ源に隣接して配置された第２のＴＥＡゾーン内に含まれ、前記第２のＴＥ源が、前記第１のＴＥ源から少なくとも部分的に独立してＴＥを生成する、第２の複数のＴＥＡノードと、
第１の複数の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ノードであって、前記第１の複数のＴＥＤノードの個々のＴＥＤノードが前記二相流体を取り囲み、前記第１の複数のＴＥＤノードが第１の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ゾーン内に含まれる、第１の複数の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ノードと、
閉鎖流体回路を形成するために、前記第１の複数のＴＥＡノードを前記第２の複数のＴＥＡノードおよび前記第１の複数のＴＥＤノードの両方に相互接続する複数の毛管と
を備える熱力学的システム。
【請求項２】
前記二相流体の液体画分と前記二相流体の蒸気画分との間の界面の毛管力によって、前記液体画分を、第１のＴＥＤノードから、前記液体画分が前記蒸気画分へ気化されるＴＥＡノードへ引く、前記複数の毛管のうちの少なくとも第１の毛管内に埋め込まれたウィック構造をさらに備え、前記界面の前記毛管力が、前記蒸気画分を、少なくとも第２の毛管を介して、第２のＴＥＤノードの方に押す、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項３】
前記複数の毛管のうちの少なくとも第１の毛管の第１の部分内に埋め込まれたウィック構造をさらに備え、前記第１の毛管がさらに、前記ウィック構造のない第２の部分を含み、前記第１の部分および前記第２の部分のそれぞれがＴＥＡノードからＴＥＤノードへ延在する、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項４】
前記第１のＴＥ源に隣接する第１のＴＥＡノードが、
前記第１のＴＥＡノードを第１のＴＥＤノードに直接接続する前記複数の毛管の第１の毛管、および
前記第１のＴＥＤノードを第２のＴＥＡノードに直接接続する前記複数の毛管の第２の毛管
を含む流体経路を介して、前記第２のＴＥ源に隣接する前記第２のＴＥＡノードに間接的に接続される、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項５】
前記第１のＴＥ源が演算システムの第１の演算構成要素であり、前記第２のＴＥ源が前記演算システムの第２の演算構成要素である、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項６】
前記複数の毛管の第１のサブセットがハウジングの第１の層に埋め込まれ、前記複数の毛管の第２のサブセットが前記ハウジングの第２の層に埋め込まれる、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項７】
前記複数の毛管が、
第１のＴＥＤノードを第１のＴＥＡノードに接続し、第１のプロファイル長さを有する第１の毛管と、
前記第１のＴＥＡノードを、第２のＴＥＡノードにさらに接続される第２のＴＥＤノードに接続する第２の毛管であって、前記二相流体の流れが前記第１のＴＥＤノードから前記第２のＴＥＤノードの方へ付勢されるように前記第１の特徴的なプロファイル長さを上回る第２のプロファイル長さを有する第２の毛管と
を含む、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項８】
各ＴＥＡノードが、前記二相流体の画分が前記二相流体の他のいずれの画分からも隔絶されないように、他の各ＴＥＡノードおよび各ＴＥＤノードと相互接続される、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項９】
前記第１のＴＥＤゾーンの第１のＴＥＤノードから、第２の複数のＴＥＤノードを含む第２のＴＥＤゾーンの第２のＴＥＤノードへ、前記第１のＴＥＡノードの第１のＴＥＡノードを介して前記二相流体の画分を潅流するように動作可能なポンプをさらに備える、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項１０】
前記閉鎖流体回路内の前記二相流体に対応する内圧を示すように動作可能な圧力センサであって、前記内圧が前記二相流体の蒸気画分の温度に少なくとも部分的に依存している、圧力センサと、
メモリ内に維持された論理命令であって、プロセッサによって実行されると、第１の所定の閾値に達するかそれを超える内圧に基づいて、前記内圧が前記第１の所定の閾値より低い第２の所定の閾値を下回るまで、ポンプを動作させるように構成された論理命令と
をさらに備える、請求項９に記載の熱力学的システム。
【請求項１１】
前記二相流体を取り囲む少なくとも１つのＴＥＡノードが、前記二相流体の液体画分と前記二相流体の蒸気画分との間の界面の毛管力によって前記液体画分を前記少なくとも１つのＴＥＡノードに引き込む一方で前記蒸気画分が前記複数の毛管の１つまたは複数を介して逃げることを許容するウィック構造で部分的に満たされる、請求項１に記載の熱力学的システム。
【請求項１２】
二相流体を取り囲む第１の複数のＴＥＡノードを含む第１の熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）シンクと、
前記二相流体を取り囲む第２の複数のＴＥＡノードを含む第２のＴＥＡシンクであって、前記第１のＴＥＡシンクと隣接しない第２のＴＥＡシンクと、
前記二相流体を取り囲む複数のＴＥＤノードを含む少なくとも１つの熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）シンクと、
閉鎖流体回路を形成するために、前記第１の複数のＴＥＡノードを、前記第２の複数のＴＥＡノードおよび前記複数のＴＥＤノードの両方に相互接続する複数の毛管チューブと
を備える熱力学的システム。
【請求項１３】
前記複数の毛管チューブの少なくとも１つの毛管チューブが、前記二相流体の１つまたは複数の液体画分を、前記第１の複数のＴＥＡノード、または前記第２の複数のＴＥＡノード、あるいはその両方の少なくとも１つのＴＥＡノードに向けて引くウィック構造を含む、請求項１２に記載の熱力学的システム。
【請求項１４】
前記第１の複数のＴＥＡノードの第１のＴＥＡノードが、前記ウィック構造を含む少なくとも第１の毛管チューブに、および前記ウィック構造のない前記複数の毛管チューブの少なくとも第２の毛管チューブに相互接続される、請求項１３に記載の熱力学的システム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのＴＥＤシンクが前記第１のＴＥＡシンクまたは前記第２のＴＥＡシンクの少なくとも１つに対して少なくとも部分的に移動可能であるように前記複数の毛管チューブの少なくとも１つの毛管チューブが少なくとも部分的に可撓性である、請求項１２に記載の熱力学的システム。
【請求項１６】
前記第１のＴＥＡシンク、前記第２のＴＥＡシンク、または前記少なくとも１つのＴＥＤシンクの少なくとも１つが、複数のＴＥ伝導突起を含む、請求項１２に記載の熱力学的システム。
【請求項１７】
二相流体を取り囲む複数の熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードであって、少なくとも第１のＴＥＡノード、第２のＴＥＡノード、および第３のＴＥＡノードを含む、複数の熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードと、
前記二相流体を取り囲む複数の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ノードであって、少なくとも第１のＴＥＤノード、第２のＴＥＤノード、および第３のＴＥＤノードを含む、複数の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ノードと、
閉鎖流体回路を形成するために、前記複数のＴＥＡノードを前記複数のＴＥＤノードに相互接続する複数の毛管であって、少なくとも前記第１のＴＥＡノードを少なくとも前記第１のＴＥＤノード、前記第２のＴＥＤノード、および前記第３のＴＥＤノードに直接接続する、複数の毛管と
を備える、自己編成型熱力学的回路。
【請求項１８】
前記複数の毛管が少なくとも前記第２のＴＥＤノードを少なくとも前記第２のＴＥＡノードおよび前記第３のＴＥＡノードにさらに直接接続する、請求項１７に記載の自己編成型熱力学的回路。
【請求項１９】
前記複数の毛管の少なくとも第１の毛管が、前記二相流体の第１の液体画分が少なくとも前記第１のＴＥＡノードに向かって流れることを誘発するように少なくとも前記第１のＴＥＡノードに向かってテーパ状にされる、請求項１７に記載の自己編成型熱力学的回路。
【請求項２０】
前記複数の毛管の少なくとも第２の毛管が、前記二相流体の第２の液体画分が少なくとも前記第１のＴＥＤノードに向かって流れることを誘発するように少なくとも前記第１のＴＥＤノードに向かってテーパ状にされる、請求項１７に記載の自己編成型熱力学的回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、包括的には、限定しないが電子装置用の熱管理に関し、詳細には、熱吸収ゾーンから熱散逸ゾーンへ熱を移動するために内部流体移動を自己編成する二相流体回路を備えた熱力学的システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱管理技術の進歩は、高性能マイクロ電子デバイスの継続的な発展にとって重要であり続けるだろう。例えば、スーパーコンピュータ、航空電子工学、およびモバイルエレクトロニクスの各用途は、熱管理システムの有効性および／または効率の進歩から利益を得るかもしれない。この点に関して、エレクトロニクスのよりコンパクトなパッケージングならびに演算能力および機能性の向上の両方を対決させながら追求することは、多くの場合、単位体積当たりの熱エネルギー生成の増加をもたらした。その結果、この熱エネルギー（ＴＥ）の増加を効果的に管理することは難しくなっている。さらに、演算構成要素の近くに過度の熱が蓄積すると、構成要素の故障を引き起こす可能性があり、それは用途に依存して単に迷惑なものから生命を脅かすものまで重大さに幅がある可能性がある。
【０００３】
従って、熱管理の解決は、より小さくより演算力のあるマイクロエレクトロニクスデバイスの追求を継続する上で非常に重要であり続けるだろう。よって、熱管理がマイクロエレクトロニクスのスケールに対して構成もされる一方で、その有効性または効率のいずれかまたは両方を高める新しい取り組みが望ましい。
【０００４】
添付の図面を参照して詳細に説明する。異なる図面中の同じ参照番号は同様または同一の物を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】いくつかの実施形態による複数の相互接続された熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードおよびＴＥ散逸（ＴＥＤ）ノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【図２Ａ】図１の熱力学的回路の上面図を示す。
【図２Ｂ】第１の熱源および第２の熱源に隣接して配置された図１の熱力学的回路の側面図を示す。
【図３Ａ】断面線Ａ−Ａに沿って取られた図１の熱力学的回路の断面図を示す。
【図３Ｂ】断面線Ｂ−Ｂに沿って取られた図１の熱力学的回路の断面図を示す。
【図３Ｃ】断面線Ｃ−Ｃに沿って取られた図１の熱力学的回路の断面図を示す。
【図３Ｄ】断面線Ｄ−Ｄに沿って取られた図１の熱力学的回路の断面図を示す。
【図４Ａ】図３Ａの断面図と同様でありまた所望の毛管作用を誘導するために異なるプロファイル長さを有する２つの毛管を含む熱力学的回路の部分断面図を示す。
【図４Ｂ】図３Ａの断面図と同様でありまた所望の毛管作用を誘導するために異なるプロファイル長さを有する２つの毛管を含む熱力学的回路の部分断面図を示す。
【図５】二層流体の流れを誘導するように動作可能なポンプに加えて、複数の相互接続されたＴＥＡノードおよびＴＥＤノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【図６Ａ】互いに隣接しない第１のＴＥＡシンクおよび第２のＴＥＡシンクを含む例示的な熱力学的回路を示す。
【図６Ｂ】互いに隣接しない第１のＴＥＡシンクおよび第２のＴＥＡシンクを含む例示的な熱力学的回路を示す。
【図７Ａ】いくつかの実施形態による例示的なノード構成を示す。
【図７Ｂ】いくつかの実施形態による例示的なノード構成を示す。
【図７Ｃ】いくつかの実施形態による例示的なノード構成を示す。
【図８】いくつかの実施形態による複数の相互接続された熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードおよびＴＥ散逸（ＴＥＤ）ノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【図９】いくつかの実施形態による複数の相互接続された熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードおよびＴＥ散逸（ＴＥＤ）ノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【図１０】いくつかの実施形態による複数の相互接続された熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードおよびＴＥ散逸（ＴＥＤ）ノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【図１１】いくつかの実施形態による複数の相互接続された熱エネルギー吸収（ＴＥＡ）ノードおよびＴＥ散逸（ＴＥＤ）ノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【図１２】いくつかの実施形態による複数の相互接続されたＴＥＡノードおよびＴＥＤノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本開示は、二相流体を取り囲む閉鎖流体回路を介して、１つまたは複数のＴＥ吸収（ＴＥＡ）ゾーンから１つまたは複数の熱エネルギー散逸（ＴＥＤ）ゾーンに熱エネルギー（ＴＥ：ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｎｅｒｇｙ）を散逸させる熱力学的システム、装置および方法を提供する。本開示の目的は、ＴＥＡおよび／または散逸ノードの個々のノードの局所条件（例えば、温度、圧力、二相液体の状態等）に基づいて自己編成された方法で複数のＴＥＡノードから複数のＴＥＤノードへの高効率の熱伝達を可能にすることである。本開示の実施形態は、質量およびエネルギー通信の両方を可能にするネットワーク化された毛管システムを介してノードを相互接続するＴＥＡおよびＴＥＤノードによって表される複数のサブゾーンにＴＥＡおよびＴＥＤゾーンを分けることにより熱力学的システムを決定的に自己編成することを保証する。例えば、図１を参照すると、ＴＥＡおよびＴＥＤゾーンのそれぞれは、同じゾーン内の他のノードからそれぞれ「分けられる」複数のノードを含む、例えば、ノードは同じゾーン内の別のノードに接続されない。本開示の実施形態は、閉鎖流体回路内の毛管作用を利用して、ノード間の二相流体の質量流に関して重力効果をほぼ排除する。ここで開示するシステム、装置、および方法のさらなる目的および利点は、本開示を通して考察される。
【０００７】
図１は、ＴＥが閉鎖流体回路に吸収される１つまたは複数のＴＥＡゾーンから、ＴＥが閉鎖流体回路から散逸される１つまたは複数のＴＥＤゾーンへＴＥを移動するための熱力学的システム１００の概略図を示す。いくつかの実施形態では、閉鎖流体回路は、複数の毛管１０５によって相互接続された複数のＴＥＡノード（灰色で塗りつぶした黒色の輪郭）および複数のＴＥＤノード（白く塗りつぶした黒色の輪郭）を含む。ノードは流体、例えば二相流体を取り囲み得る多数の異なる幾何学的形状をとってもよい。例えば、ノードは、ハウジング構造内の他の細長いキャビティ、例えば毛管を介して相互接続されたハウジング構造内のキャビティであってもよい。特定の幾何学的構成を持たないノード間接続を示すために、複数の毛管の個々の毛管が概略的な形で示されていることを理解されたい。さらに、毛管のいくつかは、そこを横切る他の毛管（実線で示す）と明確に区別するために破線の形で示されている。いくつかの実施形態では、ＴＥＡノードの少なくともいくつか（またはすべて）は、２つ以上の毛管によって、少なくとも２つのＴＥＤノード、少なくとも３つのＴＥＤノード、少なくとも４つのＴＥＤノード、少なくとも５つのＴＥＤノード、少なくとも６つのＴＥＤノード、少なくとも７つのＴＥＤノード、少なくとも８つのＴＥＤノード、少なくとも９つのＴＥＤノード、少なくとも１０個のＴＥＤノード、少なくとも１１個のＴＥＤノード、少なくとも１２個のＴＥＤノード、少なくとも１３個のＴＥＤノード、少なくとも１４個のＴＥＤノード、少なくとも１５個のＴＥＤノード、少なくとも１６個のＴＥＤノード、少なくとも１７個のＴＥＤノード、少なくとも１８個のＴＥＤノード、少なくとも１９個のＴＥＤノード、または少なくとも２０個のＴＥＤノードに直接接続される。従って、閉鎖流体回路内に取り囲まれた二相流体は、各ＴＥＡノードから少なくとも１つの毛管を通って流れることができる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、熱力学的システムの１つまたは複数の部分を熱源に隣接して配置し、ＴＥＡゾーンとして指定することができる。これらのＴＥＡゾーンは、同じＴＥＡゾーンを有する他のＴＥＡノードに非常に近接する内（例えば、閾値距離内）に、しかしそれらから隔絶された、複数のＴＥＡノードを含むことができる。例えば、複数のノードが単一の熱源に近接して配置されている場合、ノードは互いに非常に近接する内にあると考えることができる。しかしながら、単一の熱源は、例えば、複数のより小さな熱源を含む演算構成要素であり得ることを理解されたい。例えば、プロセッサは、それぞれが熱を発生し得る複数のコアを含み得る。いくつかの実施形態では、熱力学的システムの１つまたは複数の部分は、そのそれぞれが、同じＴＥＤゾーンを有する他のＴＥＤノードに非常に近接する内に、しかしそれらから隔絶された、複数のＴＥＤノードを含むＴＥＤゾーンとして指定されてもよい。
【０００９】
図１に示される特定のノード間接続は、本明細書で開示されるシステムおよび装置の多数の可能な構成のうちの１つに過ぎないことを認識すべきである。従って、本明細書で開示されたシステムおよび装置は、本開示の範囲から逸脱することなく他の多くの構成によって具体化されてもよい。
【００１０】
図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ図１の熱力学的回路の上面図および側面図を示す。図２Ｂを特に参照すると、第１の複数のＴＥＡノードを含む第１のＴＥＡゾーンが、第１のＴＥ源２０２に隣接して配置されて示されている。さらに、第２の複数のＴＥＡノードを含む第２のＴＥＡゾーンが、第２のＴＥ源２０４に隣接して配置されて示されている。いくつかの実施形態では、第１のＴＥ源２０２および第２のＴＥ源２０４は、共通のベース構造２０６に取り付けられている。ＴＥ源２０２およびＴＥ源２０４が表し得る例示的なＴＥ源は、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）および／またはグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）などの熱発生演算構成要素を含み得る。さらに、例示的なベース構造２０６は、演算装置のマザーボードまたはいずれかの同様のプリント回路基板（ＰＣＢ）を含み得る。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第１のＴＥ源２０２は、第２のＴＥ源２０４から少なくとも部分的に独立した速度でＴＥを生成する。例えば、第１のＴＥ源２０２がＣＰＵであり、第２のＴＥ源２０４がＧＰＵである実施形態では、各構成要素はそれぞれの現在の作業負荷に基づく速度でＴＥを生成する。特に、ＣＰＵおよびＧＰＵのそれぞれの作業負荷は、ＣＰＵおよびＧＰＵのそれぞれを含む演算装置で実行されている様々なプログラムに依存して経時的に変動する可能性がある。従って、ＧＰＵがＣＰＵに比べて比較的高速でＴＥを生成している期間中、ＴＥをＣＰＵよりもＧＰＵから移動させることがより重要になる。しかしながら、ＧＰＵまたはＣＰＵの一方または両方の動作状態が変化した後、ＴＥをＣＰＵから移動させることがより重要になる。本開示のさらなる目的は、いずれかの特定のＴＥ源からのＴＥ移動が、それらの特定のＴＥ源に対応するＴＥ発生速度に動的に応答するように、二相流体の質量移動を自己編成することである。
【００１２】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の熱散逸ゾーンが、ＴＥ伝導突起２０８を含む。例示的なＴＥ伝導突起は、限定しないが、対流を増大することによって環境へのまたは環境からの熱伝導率を高めるためにＴＥＤゾーンから延在するフィンを含む。
【００１３】
図３Ａは、（図２Ｂに示される）断面線Ａ−Ａに沿った図１の熱力学的回路の断面図を示し、図３Ｂは、断面線Ｂ−Ｂに沿った図１の熱力学的回路の断面図を示す。従って、図３Ａに示す毛管は、図３Ｂに示す毛管の上を通過し、第１の複数のＴＥＡノードを第２の複数のＴＥＡノードおよびＴＥＤノードの両方に相互接続する。ＴＥがＴＥＡノードで二相流体によって吸収されるとき、二相流体は加熱され、最終的に液体状態から気化され得る（すなわち、二相流体の液体画分は蒸気画分に気化され得る）。さらに、ＴＥが特定のＴＥＡノード３０２で二相流体の蒸気画分に吸収されるとき、蒸気画分の温度が上昇し得、その結果、ノード３０２において蒸気画分の圧力または体積の一方または両方が増大して膨張し、二相流体の質量をＴＥＤノード３０６（ここでＴＥは熱力学的システムから放散される）に向かって毛管３０４を介して押すことを認識されたい。例えば、ノード３０６における二相流体の温度および圧力などの動作条件に依存して、二相流体の蒸気画分は液体に再凝結し得ることを認識されたい。次いで、二相流体の現在液体の画分は、ＴＥＡノード３１０に向かって別の毛管３０８に通され得る。さらに、ＴＥＡノード３０２がＴＥをノード３０６に向かって移動させるとき、それは冷却し得、それにより、ノード３０２における二相流体の体積または圧力の一方または両方を低減し、および、ノード３１０に向かって戻る二相流体の一部の揺動を可能にする。毛管システムを介したＴＥＡおよび散逸ノードの相互接続特性は、閉鎖回路内の質量およびＴＥ流が自己編成することを可能にすることを認識されたい。例えば、ＴＥが外部熱源から特定のＴＥＡノードに吸収されるとき、熱力学的システムがそのノードからＴＥを移動させる傾向は、他のＴＥＡノードに対して増す。
【００１４】
いくつかの実施形態では、様々なＴＥＡノード、ＴＥＤノード、および／または毛管が、少なくとも部分的にそれに埋め込まれたウィック構造（ｗｉｃｋ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、例えば３１６または３２０または３４２を含んでもよい。そのようなウィック構造は、二相流体の液体画分と蒸気画分との間の界面における毛管力によって、二相流体の液体画分を１つまたは複数のＴＥＡノードに引き込むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、界面で発生したこの毛管力は、少なくとも条件が許す間の限定された期間、特定のＴＥＡノード３１１における二相流体の新たに気化した画分をＴＥＤノード３１４に向けて連続的に押し遣ることができる。例えば、そのノードにおける二相流体の液体画分が液体のままであり、蒸気画分が再凝結するようにＴＥＤノード３１２における局所条件が存在すると仮定する。さらに、二相流体の液体画分が液体画分を気化させるのに十分なＴＥを吸収するようにされた条件がＴＥＡノード３１１に存在すると仮定する。従って、液体画分がウィック構造３１６を介して引かれるとき、それはウィック構造３１６内で界面線３１８において気化されることになるかもしれない。従って、ウィック構造３１６のうちの界面線３１８の左側の部分が蒸気で充填され、ウィック構造３１６のうちの界面線３１８の右側の部分が液体で充填されるとき、境界層で生成された表面張力が液体画分を前方に連続的に引き寄せ、それによって、新たに気化した画分をさらにＴＥＤノード３１４に移動させることができる。界面３１８の毛管力は蒸気画分に圧力を及ぼし、それによって、境界線が前進するにつれて流出する傾向を増加させ得るが、任意の特定の時間にノード３１４に存在する圧力などの局所的条件がこの傾向に打ち勝つ場合があることを認識されたい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の毛管は、毛管全体の一部内に埋め込まれたウィック構造を含んでもよい。例えば、毛管３１９は、ウィック構造３２０で部分的に満たされる。さらに、ウィック構造３２０と毛管３１９との組み合わせは以下のように構成されてもよい、すなわち、引き込まれる液体画分用の空間を作るために移動され得る蒸気画分をウィック構造が含む限り、毛管３１９から二相流体のいずれかの液体画分を引き込むのに十分な毛管力をウィック構造３２０がもたらし得るように、構成されてもよい。例えば、液体画分がＴＥＡノード３２２で気化されるとき、液体画分の追加の部分が毛管３１９内のウィック構造を介してノード３２２に引き込まれ得る一方、気化された画分は毛管３１９内で反対方向に押され得る。従って、ウィック構造を部分的に充填された毛管は、液体画分がウィック構造部分を介してＴＥＡノード３２２に向かって引かれる一方で蒸気画分がＴＥＤノード３２４に戻されるようにＴＥＡノード３２２から押されるように、質量移動、すなわち液体および／または蒸気形態の二相流体の質量移動が両方向で同時に起こることを可能にし得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数のＴＥＡノードはウィック構造で部分的に満たされ、その結果、二相流体の液体画分をノードに引き込む一方で蒸気画分がウィックから逃げることを許容し、それによって、液体画分がさらに引き込まれ得るウィックの新しい不飽和部分を作り出す。例えば、図３Ｄを特に参照すると、ＴＥＡノード３４０は、ノード３４０内に空隙領域３４４が存在するようにウィック構造３４２で部分的に満たされた状態で示されている。二相流体の液体画分３４６がウィック構造３４２と接触するとき、例えばウィック構造がまだ飽和していないと仮定すると、液体画分はウィック構造に引き込まれてもよく、それによって毛管３４８から液体画分を一掃する。ＴＥがノード３４０で吸収されるときにウィック構造内の液体画分が蒸気画分に気化されるとき、蒸気画分の圧力および／体積が増大し得、それによって蒸気画分の一部を毛管３４８を介してノードから押し出す。液体画分３４６はウィック構造３４２に吸収されたので、液体画分は、ノード３４０から新しく気化された画分が逃げることを防止する毛管３４８内のプラグとしてもはや作用しないことを認識されたい。ウィック構造３４２（または本明細書に開示される他のウィック構造の構成）は、１つまたは複数のＴＥＡノードが、二相流体の液体画分で少なくとも部分的に満たされる可能性を増大し得ることを認識されたい。新たに気化された画分をＴＥＡノードから逃がす一方で液体画分を連続的に引き込むことにより、熱力学的システムがＴＥＡノードでＴＥを吸収し得る速度、および吸収されたＴＥをＴＥＤノードへ、そして最終的に熱力学的システムから周囲環境へ逃がす速度を改善し得ることをさらに認識されたい。
【００１７】
いくつかの実施形態では、例えば第１の熱源に隣接して配置された、第１のＴＥＡゾーンからの１つまたは複数のＴＥＡノードは、例えば第２の熱源に隣接して配置された、第２のＴＥＡゾーンからの第２のＴＥＡノードに１つまたは複数の毛管を介して間接的に接続されている。例えば、第１のＴＥＡノード３２６は、第１のＴＥＡノード３２６をＴＥＤノード３３２に直接接続する第１の毛管３３０およびＴＥＤノード３３２を第２のＴＥＡノード３２８に直接接続する第２の毛管３３４を含む流路を介して第２のＴＥＡノード３２８に間接的に接続されてもよい。従って、第１の熱源の近くに存在する局所的条件は、第２の熱源の近くに存在する局所的条件に影響を及ぼす可能性がある。さらに、いくつかの実施形態では、各ＴＥＡノードは、二相流体のいかなる画分も二相流体の他のいかなる部分からも隔絶されないように、他のそれぞれのＴＥＡノードおよび各ＴＥＤノードに相互接続されてもよい、例えば、少なくとも１つまたは直接的または間接的に接続されてもよい。言い換えると、閉鎖流体経路の各点から閉鎖流体経路のそれぞれの他の点まで流路が存在する。しかしながら、そのような経路は、単一の毛管を含んでもよい。
【００１８】
図３Ｃを特に参照すると、いくつかの実施形態では、複数の毛管は、ハウジング内に埋め込まれた複数の層にわたって分散された複数のサブセットを含むことができる。例えば、断面線Ａ−Ａに沿って配置された、従って図３Ａに示されているそれらの毛管は、熱力学的システムハウジング３３６の第１の層内に埋め込まれている。さらに、断面線Ｂ−Ｂに沿って配置された、従って図３Ｂに示されているそれらの毛管は、ハウジング３３６の第２の層内に埋め込まれている。
【００１９】
いくつかの実施形態では、熱力学的システムのハウジングは非平面であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ノード（散逸および／または吸収）および／または毛管は、特定の用途に適合するように不規則に成形されたハウジング内に埋め込まれてもよい。一例として、熱力学的ハウジングは、複数のバッテリを含む補助電源ユニットに適合するように、およびＴＥをバッテリから１つまたは複数の遠隔配置されたＴＥＤゾーンに移動するように設計されてもよい。
【００２０】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の特定のノードに向かって二相流体の質量移動を付勢するために、異なる特性長さで異なる毛管を構成することができる。例えば、図４Ａを特に参照すると、熱力学的システムを満たす二相流体の液体画分４０２が、２つの毛管４０４および４０６のそれぞれと、ＴＥＡノード４０８との中に示されている。図４Ａに示すように、毛管４０６は、毛管４０４よりもプロファイルが大きく、従って、毛管４０４のプロファイル面積で割った液体画分が毛管４０４に接触する場所で生成される表面張力の割合は、毛管４０６のプロファイル面積で割った液体画分が毛管４０６に接触する場所で生成される表面張力の割合よりも大きい。従って、二相流体は、ＴＥＡノード４１０と比較して、ＴＥＡノード４０８の方に付勢され得ることを認識されたい。さらに、いくつかの実施形態では、毛管は、第１のＴＥＤノードから第２のＴＥＤノードに向かって流体の流れを付勢するために相対的なプロファイル長さで構成される。
【００２１】
さらに、図４Ａを特に参照すると、いくつかの実施形態では、１つまたは複数のノードの形状は対応する毛管に類似している。例えば、ノード４１１は、単一の切削工具、例えば単一の直径を有するミーリングカッターでベース構造にミーリングされ得る形状を有する。同じく図７はこの点を明確にするために含まれている。さらに、いくつかの実施形態では、できるだけ密にノードを配置することが望ましい場合があり、従って、ノードの形状は、ノードを介した二相流体の十分な移動と、ノードの十分に密な間隔との両方が可能になるように、利用可能な製造方法および製品の耐久性などの他の設計上の考慮事項に基づいて、できるだけ小さく維持され得る。従って、ノードは拡大された円形の領域として共通に示されているが、本開示の範囲はこのように限定されないことを理解されたい。
【００２２】
いくつかの実施形態では、個々の毛管は特定の方向に流体の流れを誘導するように構成されてもよい。例えば、図４Ｂを特に参照すると、毛管４１２は、液体画分４１４と蒸気画分４１６との間の境界に生成される圧力が、液体画分４１４と蒸気画分４１８との間の境界に生成される圧力よりも大きくなるように、テーパ状で構成される。従って、毛管４１２のテーパ状の形状構造は、その中の液体画分がＥＤノード４２０からＴＥＡノード４０８に向かって流れるように誘導し得る。
【００２３】
ここで図５参照すると、いくつかの実施形態では、熱力学的システム５００は、ＴＥＡノード５０４に向かって（および／またはそれから離れて）液体および／または蒸気形態の二相流体の画分を灌流するように動作可能なポンプ５０２を含むことができる。ポンプ５０２は、熱力学的システムのハウジングの外部にあるか、またはハウジング内に一体化されてもよい。従って、本明細書で開示されるシステムおよび装置のいくつかの実施形態は、受動的な構成であってもよいが、ポンプ５０２を含むものなどの他の実施形態は、１つまたは複数のＴＥＡノードからのＴＥ移動を増大するために外部電力が消費されるように能動的な構成であってもよい。いくつかの実施形態では、熱力学的システム５００は、熱力学的システム５００の１つまたは複数の特性を示すように構成されたセンサ５０６をさらに含んでもよい。例示的なセンサには、圧力センサおよび温度センサが含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、システム５００は、ポンプ５０２を制御するように構成された論理命令５０８をさらに含むことができる。例えば、センサ５０６が圧力センサである実施形態では、論理命令は、所定の閾値に達するか、またはそれを超えるシステム５００の内部圧力に基づいてポンプを動作させるように構成されてもよい。流体の二相性質のために、例えばシステム５００の閉鎖流体回路の容積が一定のままであり得るので、典型的に圧力の上昇は温度の上昇に対応し得ることが認識されるべきである。従って、いくつかの実施形態では、温度センサの代わりに圧力センサを使用することができ、それはセンサ配置位置にあまり依存しないという利点をもたらし得る。例えば、いずれかの特定のＴＥＡノードから離れたシステム内の位置で圧力の読み取りを行うことができ、結果として得られた読取り値を使用して、ＴＥＡノードの近くのシステム内の現在の温度に関する情報を推測することができる。さらに、論理命令は、圧力読取り値が、ポンプの始動を引き起こす閾値よりも低い別の閾値を下回る時まで、ポンプを作動したままにするように構成することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、論理命令５０８は、１つまたは複数の集積回路５１２を含むプリント回路基板５１０上に符号化されてもよい。集積回路／プリント回路基板の組み合わせに命令を含めるいくつかの利点は、デザインパッケージング注意事項およびこれらのタイプの回路の大量生産の比較的安価な性質に関連し得る。いくつかの実施形態では、論理命令５０８は、演算装置５１４の１つまたは複数のコンピュータ可読媒体５１８上にコンピュータ可読命令５２０として格納することができる。従って、命令５２０は、演算装置５１４の１つまたは複数のプロセッサ５１６によって実行可能であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、熱力学的システム５００の１つまたは複数の構成要素および／または動作を制御する論理命令５２０を実際に実行するプロセッサ５１６はまた、熱力学的システム５００がＴＥをそこから移動するように構成され得る熱源の１つであり得る。
【００２５】
ここで図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、いくつかの実施形態において、熱力学的システム６００は、二相流体を取り囲む第１の複数のＴＥＡノード（灰色で塗りつぶした黒色の輪郭）を含む第１のＴＥＡシンク６０２と、第２の複数のＴＥＡノード（灰色で塗りつぶした黒色の輪郭）を含む第２のＴＥＡシンク６０６とを含み、ここで第１および第２の複数のＴＥＡノードは、複数のＴＥＤノード（白色で塗りつぶした黒色の輪郭）を含む少なくとも１つのＴＥＤシンク６０４を介して相互接続されている。さらに、いくつかの実施形態では、第１のＴＥＡシンク６０２は、第２のＴＥＡシンク６０６に隣接していなくてもよい。ここで特に図６Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、第１のＴＥＡシンク６０２および第２のＴＥＡシンク６０６および少なくとも１つのＴＥＤシンク６０４のそれぞれのノードは、図６Ａの概略図に対応する複数の毛管チューブ（個々に標識されない）によって相互接続される。ハウジング内に埋め込まれた複数の毛管（例えば、ハウジングにミーリングされた、または別の方法で形成されたチャネル）と同様に、複数の毛管チューブは、二相流体を取り囲む閉鎖回路を形成できることを認識されたい。さらに、いくつかの実施形態では、二相流体の画分が二相流体の他のいかなる画分からも隔絶されないように、ノードを完全に相互接続することができる。
【００２６】
いくつかの実施形態では、複数の毛管チューブの少なくともいくつかは、二相流体の１つまたは複数の液体画分をＴＥＡノードの少なくともいくつかに引き込むウィック構造６０８を含むことができる。例えば、毛管６０８および６１０の両方は、ＴＥＤノード６１２から液体画分を引き出すウィック構造を含むことができる一方、毛管６１４はウィック構造が存在しないため、二相流体の蒸気画分がノード６１２に流れることを許容する傾向が比較的高い。
【００２７】
いくつかの実施形態では、毛管チューブの少なくともいくつかは、第１のＴＥＡシンク６０２、第２のＴＥＡシンク６０６、または少なくとも１つのＴＥＤシンク６０４のうちの１つまたは複数が互いに相対的に移動することを可能にするように、本質的に可撓性である。例えば、毛管チューブは、高温グレードの可撓性プラスチックチューブから構成することができ、様々なＴＥシンクは、動作中に互いに移動し合う可能性のある複数の熱源に隣接して配置することができる。様々なタイプの機械が、熱力学的システム６００を含む例示的な環境であり得ることを認識されたい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、ＴＥＡまたはＴＥＤシンクの１つまたは複数は、ＴＥ伝導突起２０８を含むことができる。例示的なＴＥ伝導突起は、対流を増加させることによって環境へのまたは環境からの熱伝導率を高めるために、ＴＥＤゾーンから延在するフィンを含むが、これに限定されない。
【００２９】
ここで図７Ａ〜７Ｃを参照すると、本明細書に記載される様々なＴＥノードは、様々な幾何学的構成で具体化されてもよいことが認識されよう。特に、いくつかの実施形態では、ＴＥノードは、本明細書の図に示されるように幾何学的に構成されてもよいが、多くの他の幾何学的形態を取ることもできる。例示的な幾何学的形状には、限定されるものではないが、図７Ａ〜７Ｃに示される形状が含まれる。特に、ノードは、図７Ａに示されるように、毛管または毛管チューブの特定の直線部分を表してもよく、または、図７Ｂに示されるように、毛管または毛管チューブの特定の湾曲部分を表してもよく、または図７Ｃに示されるように、毛管または毛管チューブの２つ以上の間の特定の接合部を表してもよい。
【００３０】
特に図８を参照すると、いくつかの実施形態では、自己編成型熱力学的回路８００は、複数の毛管（黒線）によって複数のＴＥＤノード８０４（白色で塗りつぶされた黒色の輪郭）に相互接続された複数のＴＥＡノード８０２（灰色で塗りつぶされた黒色の輪郭）を含んでもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、二相流体を取り囲む複数のＴＥＡノード８０２は、少なくとも第１のＴＥＡノード８０２（１）、第２のＴＥＡノード８０２（２）、および第３のＴＥＡノード８０２（３）を含み、複数のＴＥＤノード８０４は、少なくとも第１のＴＥＤノード８０４（１）、第２のＴＥＤノード８０４（２）、および第３のＴＥＤノード８０４（３）を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、複数の毛管は、第１のＴＥＡノードが第１、第２および第３のＴＥＤノード８０４（１）〜（３）のそれぞれに直接接続されるようにノードを相互接続することができる。従って、いくつかの実施形態では、個々のＴＥＡノードは、３つ以上のＴＥＤノードに直接接続されてもよい。同様に、いくつかの実施形態では、個々のＴＥＤノードを３つ以上のＴＥＡノードに直接接続することができる。例えば、図８に示すように、複数の毛管は、少なくとも第２のＴＥＤノードを少なくとも第２のＴＥＡノードおよび第３のＴＥＡノードに直接接続することができる。さらに、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の毛管は、図８の矢印の付いた毛管によって示されるように、専用のパスフロー方向を有する。例えば、１つまたは複数の毛管は、流れを排他的に一方向に制限する逆止弁を含むことができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のＴＥＡノードおよび／または１つまたは複数のＴＥＤノードは、毛管によって、単一の他のノードに接続される、例えば、ノードへの経路は「行き止まり」につながる。例えば、ＴＥＡノード８０２（４）は、ネットワーク内で単一の他のノード、例えば、ＴＥＤノード８０４（５）に接続する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の行き止まりノードは、ウィック構造で部分的に満たされた毛管によって別のノードに接続され、二相流体の液体画分をノードに向けて引き込む一方、二相流体の蒸気画分がノードから逃げることを許容する。
【００３２】
次に図９〜１１を参照すると、複数の毛管を介したＴＥＤノードへのＴＥＡノードの相互接続のための例示的な配置を示す様々な熱力学的システムの概略図が示されている。本明細書に提示され説明されている図のそれぞれは、本発明の概念を効果的に伝えるための例示に過ぎないことを理解されたい。従って、多くの他の構成が明らかに本開示の範囲内にある。いくつかの実施形態では、少なくともいくつかの個々のＴＥＡノードは他のＴＥＡノードに直接接続されず、少なくともいくつかの個々のＴＥＤノードは他のＴＥＤノードに直接接続されない、例えば、少なくともいくつかのノードは、同様のノードへの直接的な毛管接続を有さない。いくつかの実施形態では、ＴＥＡノードおよびＴＥＤノードのいずれも、同様のノードへの直接的な毛管接続を有しない。
【００３３】
図１２は、いくつかの実施形態による、少なくとも４つの相互接続されたＴＥＡノードおよびＴＥＤノードを含む例示的な熱力学的回路の概略図を示す。図１２に示す実施形態において、熱力学的回路は、４つのＴＥＡノードと４つのＴＥＤノードとを含み、完全な相互接続性で構成される、例えば、各ＴＥＡノードは各ＴＥＤノードに直接接続される。いくつかの実施形態では、完全な相互接続性を有する熱力学的回路は、５つのＴＥＡノード、６つのＴＥＡノード、７つのＴＥＡノード、８つのＴＥＡノード、９つのＴＥＡノード、または１０個のＴＥＡノードを含む。いくつかの実施形態では、完全な相互接続性を有する熱力学的回路は、５つのＴＥＤノード、６つのＴＥＤノード、７つのＴＥＤノード、８つのＴＥＤノード、９つのＴＥＤノード、または１０個のＴＥＤノードを含む。
【００３４】
本明細書の他の箇所に示すように、いくつかの実施形態では、複数の毛管は、プレート内の複数のレベルにわたって分散される。例えば、製造を容易にするために、図１２に概略的に示される実施形態は、毛管の４つの平面（またはついでに言えば非平面）層を含むことができる。好ましい実施形態では、ＴＥＡノードはＴＥＤノードのみに直接接続され、その逆も同様であり、例えば、ＴＥＡノードは他のＴＥＡノードに直接接続されない。さらに、いくつかの実施形態では、ネットワーク全体は、他のノードのサブグループと接続しないノードのサブグループが存在しないように、良好に接続される。本開示では、特定の熱力学的回路のトポロジーは、接続比に関して以下のように分類することができる。
【００３５】
ＴＥＡノードに接続する毛管の数／ＴＥＡノードの数：ＴＥＤノードに接続する毛管の数／ＴＥＤノードの数
【００３６】
いくつかの実施形態において、熱力学的回路のトポロジーは、好ましくは２／１：２／１以上である、例えば、ＴＥＡおよびＴＥＤノードは少なくとも２つの相手方ノードに接続する。これらのサブゾーン／ノードおよび対応する接続は、力学的システム全体の自由を表し、それらのレイアウトは、決定的に自己編成される熱力学的システムを保証する基準によってのみ決定される。
【００３７】
いくつかの実施形態では、自己編成型熱力学的システムは、１つのＴＥＡゾーンおよび１つのＴＥＤゾーンを含み、ここで１つのＴＥＡゾーンは４つ以上のＴＥＡノードを含み、１つのＴＥＤゾーンは４つ以上のＴＥＤノードを含む。このような実施形態では、ＴＥＡノードの少なくともいくつかは、少なくとも３つのＴＥＤノード、少なくとも４つのＴＥＤノード、少なくとも５つのＴＥＤノード、少なくとも６つのＴＥＤノード、少なくとも７つのＴＥＤノード、少なくとも８つのＴＥＤノード、少なくとも９つのＴＥＤノード、および／または少なくとも１０個のＴＥＤノードに相互接続されてもよい。さらに、このような実施形態では、ＴＥＤノードの少なくともいくつかは、少なくとも３つのＴＥＡノード、少なくとも４つのＴＥＡノード、少なくとも５つのＴＥＡノード、少なくとも６つのＴＥＡノード、少なくとも７つのＴＥＡノード、少なくとも８つのＴＥＡノード、少なくとも９つのＴＥＡノード、および／または少なくとも１０個のＴＥＡノードに相互接続されてもよい。
【００３８】
いくつかの実施形態では、自己編成型熱力学的システムは、２つのＴＥＡゾーンおよび２つのＴＥＤゾーンを含み、ここでＴＥＡゾーンの少なくとも１つは４つ以上のＴＥＡノードを含み、ＴＥＤゾーンの少なくとも１つは４つ以上のＴＥＤノードを含む。このような実施形態では、ＴＥＡノードの少なくともいくつかは、少なくとも３つのＴＥＤノード、少なくとも４つのＴＥＤノード、少なくとも５つのＴＥＤノード、少なくとも６つのＴＥＤノード、少なくとも７つのＴＥＤノード、少なくとも８つのＴＥＤノード、少なくとも９つのＴＥＤノード、および／または少なくとも１０個のＴＥＤノードに相互接続されてもよい。さらに、このような実施形態では、ＴＥＤノードの少なくともいくつかは、少なくとも３つのＴＥＡノード、少なくとも４つのＴＥＡノード、少なくとも５つのＴＥＡノード、少なくとも６つのＴＥＡノード、少なくとも７つのＴＥＡノード、少なくとも８つのＴＥＡノード、少なくとも９つのＴＥＡノード、および／または少なくとも１０個のＴＥＡノードに相互接続されてもよい。
【００３９】
本主題は、構造的特徴および／または方法論的行為に特有の言語で記載されているが、添付の特許請求の範囲に定義された本主題は記載された特定の特徴および動作に必ず限定されるわけではないことを理解されたい。むしろ、それら特定の特徴および動作は、特許請求の範囲を実施する例示的な形態として開示されている。
【図１】
2019509455.tif 000003
【図２Ａ】
2019509455.tif 000004
【図２Ｂ】
2019509455.tif 000005
【図３Ａ】
2019509455.tif 000006
【図３Ｂ】
2019509455.tif 000007
【図３Ｃ】
2019509455.tif 000008
【図３Ｄ】
2019509455.tif 000009
【図４Ａ】
2019509455.tif 000010
【図４Ｂ】
2019509455.tif 000011
【図５】
2019509455.tif 000012
【図６Ａ】
2019509455.tif 000013
【図６Ｂ】
2019509455.tif 000014
【図７Ａ】
2019509455.tif 000015
【図７Ｂ】
2019509455.tif 000016
【図７Ｃ】
2019509455.tif 000017
【図８】
2019509455.tif 000018
【図９】
2019509455.tif 000019
【図１０】
2019509455.tif 000020
【図１１】
2019509455.tif 000021
【図１２】
2019509455.tif 000022
【国際調査報告】
2019509455.tif 000023